研究表明，有必要屏蔽量子位，使其免受自然輻射的影響，例如來自外太空的宇宙射線。

一個多學(xué)科的研究小組表明，環(huán)境中自然資源的輻射會限制超導(dǎo)量子位(即量子位)的性能。這項發(fā)現(xiàn)今天發(fā)表在《自然》雜志上，對量子計算機(jī)的建設(shè)和運營產(chǎn)生了影響。量子計算機(jī)是一種先進(jìn)的計算形式，已在全球吸引了數(shù)十億美元的公共和私人投資。

美國能源部太平洋西北國家實驗室(PNNL)和麻省理工學(xué)院(MIT)的團(tuán)隊之間的合作，有助于解釋限制量子比特性能的神秘干擾源。

PNNL研究物理學(xué)家，該研究的資深作者，低輻射專家測量。“這些發(fā)現(xiàn)表明，輻射屏蔽對于在這種設(shè)計的量子計算機(jī)中獲得長期追求的性能將是必要的。”

自然輻射對計算機(jī)造成嚴(yán)重破壞

計算機(jī)工程師至少知道十年，從混凝土等材料發(fā)出的自然輻射以宇宙射線的形式穿過我們的大氣，會導(dǎo)致數(shù)字計算機(jī)故障。但是數(shù)字計算機(jī)并不像量子計算機(jī)那樣敏感。

這項研究的共同研究者PNNL物理學(xué)家布倫特·范德文德(Brent VanDevender)說：“我們發(fā)現(xiàn)，除非我們解決輻射問題，否則用這些設(shè)備進(jìn)行實用的量子計算是不可能的。”

自然輻射可能會干擾超導(dǎo)暗物質(zhì)探測器(在此可見)和超導(dǎo)量子位。圖片來源：蒂莫西·霍蘭(PNL)

研究人員聯(lián)手解決了一個難題，即一直在努力使超導(dǎo)量子計算機(jī)工作足夠長的時間，以使其可靠和實用。運轉(zhuǎn)中的量子計算機(jī)將比當(dāng)今運行的最快的超級計算機(jī)快數(shù)千倍。而且它將能夠解決當(dāng)今數(shù)字計算機(jī)裝備不足的計算難題。但是，眼前的挑戰(zhàn)是讓量子位保持其狀態(tài)，這是一項稱為“一致性”的壯舉，奧爾雷爾說。這種理想的量子狀態(tài)是賦予量子計算機(jī)強大功能的原因。

麻省理工學(xué)院的物理學(xué)家威爾·奧利弗(Will Oliver)正在研究超導(dǎo)量子位，并在干擾的源頭感到困惑，這些干擾幫助將量子位推離了準(zhǔn)備狀態(tài)，導(dǎo)致了“退相干”，并使它們失去功能。在排除了多種可能性之后，他考慮了這樣一種想法，即來自土壤中金屬等源的自然輻射和來自太空的宇宙輻射可能會將量子比特推向去相干。

Oliver，VanDevender和他的長期合作者，麻省理工學(xué)院物理學(xué)家Joe Formaggio之間的偶然對話促成了當(dāng)前項目。

為了驗證這一想法，研究團(tuán)隊在兩個不同的實驗中測量了原型超導(dǎo)量子位的性能：

他們使量子位暴露于在反應(yīng)堆中活化的銅金屬引起的高輻射。

他們在量子位周圍建立了屏蔽層，從而降低了環(huán)境中的自然輻射量。

這對實驗清楚地表明了輻射水平和量子位長度保持一致狀態(tài)之間的反比關(guān)系。

X射線，β射線，宇宙射線和γ射線形式的自然輻射會穿透超導(dǎo)量子位并干擾量子相干性。圖片來源：PNNL的Michael Perkins

VanDevender說：“輻射使匹配的電子對破裂，這些電子通常在超導(dǎo)體中沒有電阻地攜帶電流。” “那些不成對的電子的電阻破壞了精心準(zhǔn)備的量子比特狀態(tài)。”

研究人員總結(jié)說，這些發(fā)現(xiàn)對量子位的設(shè)計和構(gòu)建具有直接的意義。研究人員說，例如，用于構(gòu)造量子計算機(jī)的材料應(yīng)排除發(fā)射輻射的材料。另外，可能有必要使實驗量子計算機(jī)免受大氣中輻射的影響。在PNNL，人們關(guān)注的是將地下輻射減少99%的淺層地下實驗室是否可以為未來的量子計算機(jī)開發(fā)服務(wù)。確實，歐洲研究小組最近進(jìn)行的一項研究證實了在地下進(jìn)行實驗時量子比特相干性的提高。

太平洋西北國家實驗室淺層地下實驗室的超低輻射探測設(shè)施中的一名工人。圖片來源：PNNL，Andrea Starr

VanDevender說：“如果不進(jìn)行緩解，輻射將把超導(dǎo)量子位的相干時間限制在幾毫秒內(nèi)，這對于實際的量子計算是不夠的。”

研究人員強調(diào)，目前，輻射暴露以外的其他因素是量子比特穩(wěn)定性的更大障礙。人們認(rèn)為，用于構(gòu)成量子位的材料中的諸如微觀缺陷或雜質(zhì)之類的現(xiàn)象是造成當(dāng)前十分之一毫秒的性能極限的主要原因。研究人員說，但是一旦克服了這些限制，輻射就開始成為一個限制，如果沒有適當(dāng)?shù)淖匀惠椛淦帘尾呗?，輻射將最終成為一個問題。

調(diào)查結(jié)果影響全球?qū)Π滴镔|(zhì)的搜尋

除了幫助解釋量子位不穩(wěn)定的根源外，研究結(jié)果還可能對暗物質(zhì)的全球搜尋產(chǎn)生影響，暗物質(zhì)被認(rèn)為僅占已知宇宙的85%，但到目前為止，已有人類發(fā)現(xiàn)了暗物質(zhì)儀器。一種信號處理方法涉及使用依賴于與量子位類似設(shè)計的超導(dǎo)檢測器的研究。暗物質(zhì)探測器也需要與外部輻射源屏蔽，因為輻射會觸發(fā)錯誤的記錄，從而掩蓋所需的暗物質(zhì)信號。

PNNL研究物理學(xué)家本·洛爾(Ben Loer)表示：“增進(jìn)我們對這一過程的了解，可能會改進(jìn)這些超導(dǎo)傳感器的設(shè)計，并導(dǎo)致對暗物質(zhì)的更敏感搜索。”他從事暗物質(zhì)檢測和超導(dǎo)量子位的輻射效應(yīng)研究。“我們也許還可以利用我們在這些粒子物理傳感器中的經(jīng)驗來改進(jìn)未來的超導(dǎo)量子比特設(shè)計。”